晶体中的缺陷
晶体缺陷知识点
晶体缺陷知识点晶体缺陷是固体材料中晶格出现的非理想性质，通常由于外界因素或内部原子位置错配引起。
晶体缺陷可以对材料的性质和行为产生显著影响，因此对晶体缺陷的认识和理解对于材料科学和工程领域至关重要。
本文将主要介绍晶体缺陷的类别、产生原因以及对材料性能的影响等相关知识点。
一、点缺陷点缺陷是晶体中最常见的缺陷之一，它包括空位、附加原子和原子间隙等。
空位是晶体中原子缺失的位置，它可能由于热振动、离子辐照或经历一系列化学反应等因素而形成。
附加原子是晶体中多余的原子，它可以是来自杂质或外界加入的额外原子。
原子间隙是晶体中原子之间的间隙空间，它的存在会导致晶体结构的变形和变化。
二、线缺陷线缺陷是晶体中延伸成线状的缺陷，包括位错和螺旋排列。
位错是晶体中原子错位或排列不当导致的线性缺陷，它可以通过晶体的滑移和或扩散过程产生。
螺旋排列是沿晶体某个轴线方向发生的原子错位，在某些晶体材料中常见。
三、面缺陷面缺陷是晶体中存在的平面或界面缺陷，包括晶界、层错和孪晶等。
晶界是晶体中两个晶粒的交界面，它由于晶体生长或晶体结构不匹配引起。
层错是晶体中原子层次错位排列的缺陷，通常发生在层状晶体结构中。
孪晶是晶体中两个晶粒具有相同的晶格方向但是镜像对称的缺陷。
四、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间内存在的缺陷，主要包括孔洞和包裹物。
孔洞是晶体中的空隙空间，可以影响晶体的密度和物理性质。
包裹物是晶体中包裹其他原子或分子的空间，它可以是点状、线状或面状。
晶体缺陷的产生原因多种多样，包括热力学因素、机械应力和外部影响等。
温度和压力的变化可以导致晶体中原子位置发生偏移或畸变，进而产生缺陷。
机械应力也可以引起晶体的位错和断裂等缺陷。
此外，电磁辐射、化学环境和放射性衰变等因素也会影响晶体的结构和缺陷形成。
晶体缺陷对材料的性能和行为产生重要影响。
例如，点缺陷的存在可以改变材料的电导率、热导率和光学性能。
线缺陷和面缺陷可以导致晶体的强度和塑性发生变化，并影响晶体的断裂行为。
晶体的点缺陷类型
晶体中的点缺陷包括以下类型：
1. 空位（Vacancy）：晶体中原本应该存在的原子位置上没有原子，称为空位。
空位可以通过电子缺陷或位错移动形成，它的晶格符号是V。
2. 间隙原子（Interstitial）：晶体中存在原子的位置上没有原子，而是存在一个额外的原子，称为间隙原子。
间隙原子可以通过原子扩散或晶体生长过程中的缺陷移动形成，它的晶格符号是I。
3. 置换原子（Substitution）：晶体中原本存在的原子被另一种原子替代，称为置换原子。
置换原子可以通过化学反应或高温高压下形成，它的晶格符号是X。
4. 原子缺失（Missing atom）：晶体中原本存在的原子缺失，形成一个空位，称为原子缺失。
原子缺失可以通过缺陷迁移、缺陷产生和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是V。
5. 缺陷线（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被破坏，形成一条线状的缺陷，称为缺陷线。
缺陷线可以通过晶体生长、外力作用和高温高压等因素形成，它的晶格符号是D。
6. 位错（Dislocation）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为位错。
位错可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是D。
7. 扭曲（Twist）：晶体中原本存在的原子排列被扭曲，形成一条线状的缺陷，称为扭曲。
扭曲可以通过外力作用和晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是T。
8. 晶界（Grain Boundary）：晶体中两个或多个晶粒的交界面，称为晶界。
晶界可以通过晶体生长过程中的缺陷形成，它的晶格符号是GB。
常见的晶体缺陷
常见的晶体缺陷
晶体是由原子或分子按照一定规律排列组成的固体物质，而晶体缺陷是指在晶体结构中出现的缺陷或不完美的区域。
晶体缺陷可以是自然形成的，也可以是在制备或处理过程中产生的。
常见的晶体缺陷有以下几种：
1. 位错：指晶体中原子或分子的错位或扭曲现象，是一种线性缺陷。
位错可以分为边缘位错和螺旋位错两种，它们的存在会导致晶体的弹性性质发生变化。
2. 点缺陷：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，是一种点状缺陷。
点缺陷包括空位、附加原子、缺失原子和间隙原子等。
3. 晶界：指晶体中不同晶粒之间的交界面。
由于晶界的存在，晶体中的原子排列方式和性质会发生变化，对材料的力学性能和电学性能等都有很大影响。
4. 色心：指晶体中某些原子或分子的缺失或替代，导致能量带结构的改变。
颜色的形成就是由于色心的存在导致。
5. 位隙：指晶体结构中一些原子或分子的位置被其他原子或分子占据，从而形成的空隙。
位隙也会影响晶体的物理性质。
以上就是常见的晶体缺陷，它们的存在会对晶体的性质和应用产生影响。
在材料科学和工程领域中，对晶体缺陷的研究和控制具有重要的意义。
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固体物理 第三章_ 晶体中的缺陷
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由以上讨论可知： 刃位错： 外加切应力的方向、原子的滑移方向和位错 线的运动方向是相互平行的。 螺位错： 外加切应力的方向与原子的滑移方向平行， 原子的滑移方向与螺位错的运动方向垂直。 在左右两部分受到向上和向下的切应力的作 用时，位错线向前移动，直到位错线移动到 尽头表面，这时左右两部分整个相对滑移b 的距离，晶体产生形变。
固体物理第三章
1. 热缺陷：由热起伏的原因所产生的空位和填隙原 子，又叫热缺陷，它们的产生与温度直接有关
(a) 肖脱基缺陷
(b)弗伦克耳缺陷
(c) 间隙原子
固体物理第三章
（ a ）肖特基缺陷 (vacancy) ：原子脱离正常格点 移动到晶体表面的正常位置，在原子格点位置 留下空位，称为肖特基缺陷。 （b）弗伦克尔缺陷(Frenkel defect)，原子脱离格 点后，形成一个间隙原子和一个空位。称为弗 伦克尔缺陷。 （c）间隙原子(interstitial)：如果一个原子从正常 表面位置挤进完整晶格中的间隙位置则称为间 隙原子，由于原子已经排列在各个格点上，为 了容纳间隙原子，其周围的原子必定受到相当 大的挤压。
固体物理第三章 固体物理第三章
产生位错的外力: 机械应力：挤压、拉伸、切割、研磨 热应力：温度梯度、热胀冷缩 晶格失配： 晶体内部已经存在位错，只用较小的外力就 可推动这些位错移动，原来的位错成为了位错 源，位错源引起位错的增殖，有位错源的晶体 屈服强度降低。 晶体的屈服强度强烈地依赖于温度的变化。 T升高，原子热运动加剧，晶体的屈服强度下 降，容易产生范性形变。
固体物理第三章
在实际晶体中，由于存在某种缺陷，所以晶 面的滑移过程，可能是晶面的一部分原子 先发生滑移，然后推动同晶面的另一部分 原子滑移。按照这样的循序渐移，最后使 上方的晶面相对于下方的晶面有了滑移。 1934 年， Taylor( 泰勒 ), orowan( 奥罗万 ) 和 Polanyi( 波拉尼）彼此独立提出滑移是借助 于位错在晶体中运动实现的，成功解释了 理论切应力比实验值低得多的矛盾。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型晶体缺陷是指晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
一、点缺陷点缺陷是晶体中原子或离子位置的局部不规则，主要包括空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中原子或离子在其晶体格点上的位置空缺。
晶体中的空位可以通过热处理、辐射或化学反应形成。
空位的存在会降低晶体的密度和电子迁移率，影响材料的性能。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体中原子或离子占据晶体格点之间的空隙位置。
间隙原子的存在会导致晶体的畸变和疏松，影响材料的机械性能和导电性能。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体中非本原子或离子替代晶体中的原子或离子。
杂质原子的存在会改变晶体的导电性、光学性质和热稳定性。
常见的杂质原子有掺杂剂、杂质原子和缺陷聚集体。
二、线缺陷线缺陷是晶体中原子或离子排列沿着一条线或曲线出现的不规则现象，主要包括位错和螺旋线缺陷。
1. 位错位错是晶体中原子或离子排列的一种不规则现象，可以看作是晶体中某一面上原子排列与理想晶体的对应面上的原子排列不匹配。
位错的存在会导致晶体的畸变和塑性变形，影响材料的力学性能。
2. 螺旋线缺陷螺旋线缺陷是晶体中原子或离子排列呈螺旋状的一种不规则现象。
螺旋线缺陷的存在会导致晶体的扭曲和磁性变化，影响材料的磁学性能。
三、面缺陷面缺陷是晶体中原子或离子排列在一定平面上不规则的现象，主要包括晶界和堆垛层错。
1. 晶界晶界是晶体中两个晶粒之间的交界面，是晶体中最常见的面缺陷。
晶界的存在会影响晶体的力学性能、导电性能和晶体的稳定性。
2. 堆垛层错堆垛层错是晶体中原子或离子排列在某一平面上的堆垛出现错误的现象。
堆垛层错的存在会导致晶体的畸变和位错密度增加，影响材料的机械性能和热稳定性。
总结：晶体缺陷是晶体中存在的原子或离子排列不规则或异常的现象。
根据缺陷的不同类型，晶体缺陷可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。
点缺陷主要包括空位、间隙原子和杂质原子，线缺陷主要包括位错和螺旋线缺陷，面缺陷主要包括晶界和堆垛层错。
晶体缺陷
一、概述1、晶体缺陷：晶体中原子（离子、分子）排列的不规则性及不完整性。
种类：点缺陷、线缺陷、面缺陷。
1) 由上图可得随着缺陷数目的增加，金属的强度下降。
原因是缺陷破坏了警惕的完整性，降低了原子间结合力，从宏观上看，即随缺陷数目增加，强度下降。
2) 随着缺陷数目的增加，金属的强度增加。
原因是晶体缺陷相互作用（点缺陷钉扎位错、位错交割缠结等），使位错运动的阻力增加，强度增加。
3) 由此可见，强化金属的方向有两个：一是制备无缺陷的理想晶体，其强度最高，但实际上很难；另一种是制备缺陷数目多的晶体，例如：纳米晶体，非晶态晶体等。
二、点缺陷3、点缺陷：缺陷尺寸在三维方向上都很小且与原子尺寸相当的缺陷（或者在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷），称为点缺陷或零维缺陷。
分类：空位、间隙原子、杂质原子、溶质原子。
4、肖特基空位：原子迁移到晶体表面或内表面正常结点位置使晶体内形成的空位。
5、弗仑克尔空位：原子离开平衡位置挤入点阵间隙形成数目相等的空位和间隙原子，该空位叫做弗仑克尔空位。
6、空位形成能EV：在晶体中取出一个原子放在晶体表面上（不改变晶体表面积和表面能）所需的能量。
间隙原子形成能远大于空位形成能，所以间隙原子浓度远小于空位浓度。
7、点缺陷为热平衡缺陷，淬火、冷变形加工、高能粒子辐照可得到过饱和点缺陷。
8、复合：间隙原子和空位相遇，间隙原子占据空位导致两者同时消失，此过程成为复合。
9、点缺陷对性能的影响：点缺陷使得金属的电阻增加，体积膨胀，密度减小；使离子晶体的导电性改善。
过饱和点缺陷，如淬火空位、辐照缺陷，还可以提高金属的屈服强度。
三、线缺陷10、线缺陷：线缺陷在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，也称为一维缺陷。
主要为各类位错。
11、位错：位错是晶体原子排列的一种特殊组态；位错是晶体的一部分沿一定晶面与晶向发生某种有规律的错排现象；位错是已滑移区和未滑移区的分界线；位错是伯氏矢量不为零的晶体缺陷。
晶体的缺陷名词解释
晶体的缺陷名词解释晶体学是研究晶体内部结构和缺陷的科学，晶体的缺陷是晶体中不规则排列的原子或离子，其存在对晶体的性质和性能产生重要影响。
本文将对晶体的缺陷名词进行解释和探讨。
一、位错位错是晶体中最常见的缺陷之一。
位错是晶体中原子或离子的断裂、错位或在晶体内偏离理想位置的缺陷。
位错分为直线位错、面内位错和体位错。
直线位错是沿着某个方向延伸的位错线，用于解释晶体中的滑移和塑性行为。
面内位错是紧邻平面的晶格原子错位，可以影响晶体的断裂和强度。
体位错是晶体中多个面内位错重叠形成的三维位错结构。
二、点缺陷点缺陷是晶体中存在的原子或离子缺陷，其大小仅为一个晶胞的量级。
点缺陷包括原子间隙、自间隙、离子空位和杂质原子。
原子间隙是晶体中某些原子的理想位置为空出的空间，可以容纳其他原子。
自间隙则是由原来的晶格原子跑到别处形成的间隙，导致了晶体中的晶格畸变。
离子空位是离子晶体中缺失的离子，结果是电荷不平衡。
杂质原子是非晶体中掺入的其他原子，可以显著改变晶体的化学和物理性质。
三、线缺陷线缺陷是晶体中存在的缺陷行，其宽度明显大于点缺陷。
线缺陷包括晶格扭曲、晶格错位带、螺旋位错带和阵列位错。
晶格扭曲是晶格不一致引起的畸变，主要表现为晶格常数的变化。
晶格错位带是晶格中原子错位所形成的缺陷带，常见于金属材料。
螺旋位错带是由于晶体中原子扭曲形成的螺旋线结构，可以影响晶体的力学性能。
阵列位错是沿某个方向连续形成的位错，会导致晶体的局部应力集中。
四、界面缺陷界面缺陷是晶体内部不同晶体区域之间的缺陷，包括晶界和相界。
晶界是晶体中两个晶粒之间的边界，常见于多晶材料中，可以影响晶体的导电性和力学性能。
相界则是晶体内部不同相之间的边界，会导致晶体中的相变和形态变化。
五、体缺陷体缺陷是晶体中三维空间的缺陷，其大小大于线缺陷和点缺陷。
体缺陷包括晶格空缺、晶格畸变和晶格间隙。
晶格空缺是晶体中空出的晶格位置，导致晶体中缺失原子的紧邻空位。
晶格畸变是晶体中晶格常数的变化，常见于热力学非平衡过程和应力作用下。
晶体缺陷的分类
晶体缺陷的分类
1. 点缺陷，就像生活中的小瑕疵一样。
比如说金属晶体里少了个原子，这就是点缺陷呀！它虽然小，可对晶体的性能影响却不小呢！
2. 线缺陷，嘿，这就像一条小裂缝在晶体中蔓延。
想想看，位错不就是这样嘛，对晶体的强度等方面有着重要作用呢！
3. 面缺陷，哇哦，这好比晶体中有个明显的界面呀！像晶界、相界这些，对晶体的一些特性那可是有着关键影响的咧！
4. 空位缺陷，不就像是晶体里本该有的位置空了出来嘛，就像教室里面少了个同学一样明显，会引起一系列的变化哦！
5. 间隙原子缺陷，这多有趣，就像是硬生生挤进了一个不该在那的原子呀，对晶体的结构稳定性会带来挑战呢！
6. 杂质原子缺陷，就仿佛外来者闯入了晶体的世界。
比如说在硅晶体里掺杂其他原子，这影响可大啦！
7. 刃型位错，它就像晶体中一把隐形的刀呀，对晶体的变形等行为有着特殊意义呢！
8. 螺型位错，像不像一条螺旋状的小过道在晶体中呢，在晶体的生长等过程中作用明显得很呢！
9. 混合位错，哈哈，这就是前两种位错的结合体呀，复杂又有趣呢，对晶体来说可真是个特别的存在哟！
我的观点结论就是：晶体缺陷的分类可真是丰富多样又奇妙无比，每一种都有着独特的魅力和重要的作用呀！。
第三章晶体缺陷
材料表面的原子核内部的原子所处的环境不同，内部的任一原子处于其它原子的包围 中，周围的原子对它的作用力对称分布，因此它处于均匀的力场中，总和力为零，即处于 能量最低的状态；而表面原子却不同，与外界接触，表面原子处于不均匀的力场之中，所 以其能量大大升高，高出的能量称为表面自由能（或表面能）。
三. 点缺陷的运动
点缺陷（空位）的运动过程
晶体的点缺陷处于不断的运动状态，当空位周围原子的热振动动能超过激活能时，就 可能脱离原来的结点位置而跳跃到空位，正是靠这一机制，空位发生不断的迁移，同时伴 随原子的反向迁移。间隙原子也是在晶格的间隙中不断运动。空位和间隙原子的运动是晶 体内原子扩散的内部原因，原子（或分子）的扩散就是依靠点缺陷的运动而实现的。
第一节 点缺陷
一. 点缺陷的类型
空位：如果晶体中某结点上的原子空缺了，则称为空位。
脱位原子一般进入其他空位或者逐渐迁移至晶界或表面，这样的空位通常称为肖脱基 空位或肖脱基缺陷。偶尔，晶体中的原子有可能挤入结点的间隙，则形成另一种类型的点 缺陷---间隙原子，同时原来的结点位置也空缺了，产生另一个空位，通常把这一对点缺陷 （空位和间隙原子）称为弗兰克耳缺陷。
界100
100
（θ< ）和大角度晶界（θ> ）。一般多晶体各晶粒之间的晶界属于大角度晶界。
实验发现：在每一个晶粒内原子排列的取向也不是完全一致，晶粒内又可分为位向差
只有几分到几度的若干小晶块，这些小晶块可称为亚晶粒，相邻亚晶粒之小角度晶界还是大角度晶界，这里的原子或多或少的偏离了平衡位置，所以相对 于晶体内部，晶界处于较高的能量状态，高出的那部分能量称为晶界能，或称晶界自由能。
一. 刃型位错
第二节 位错
刃型位错 刃型位错的滑移过程
晶体中的缺陷
晶体中的缺陷晶体中的缺陷及其对材料性能的影响前⾔晶体的主要特征是其中原⼦（或分⼦）的规则排列，但实际晶体中的原⼦排列会由于各种原因或多或少地偏离严格的周期性，于是就形成了晶体的缺陷，晶体中缺陷的种类很多，它影响着晶体的⼒学、热学、电学、光学等各⽅⾯的性质。
晶体的缺陷表征对晶体理想的周期结构的任何形式的偏离。
晶体缺陷的存在，破坏了完美晶体的有序性，引起晶体内能U和熵S增加。
按缺陷在空间的⼏何构型可将缺陷分为点缺陷、线缺陷、⾯缺陷和体缺陷，它们分别取决于缺陷的延伸范围是零维、⼀维、⼆维还是三维来近似描述。
每⼀类缺陷都会对晶体的性能产⽣很⼤影响，例如点缺陷会影响晶体的电学、光学和机械性能，线缺陷会严重影响晶体的强度、电性能等。
⼀、晶体缺陷的基本类型点缺陷1、点缺陷定义由于晶体中出现填隙原⼦和杂质原⼦等等，它们引起晶格周期性的破坏发⽣在⼀个或⼏个晶格常数的限度范围内，这类缺陷统称为点缺陷。
这些空位和填隙原⼦是由热起伏原因所产⽣的，因此⼜称为热缺陷。
2、空位、填隙原⼦和杂质空位：晶体内部的空格点就是空位。
由于晶体中原⼦热运动，某些原⼦振动剧烈⽽脱离格点跑到表⾯上，在内部留下了空格点，即空位。
填隙原⼦：由于晶体中原⼦的热运动，某些原⼦振动剧烈⽽脱离格点进⼊晶格中的间隙位置，形成了填隙原⼦。
即位于理想晶体中间隙中的原⼦。
杂质原⼦：杂质原⼦是理想晶体中出现的异类原⼦。
3、⼏种点缺陷的类型弗仑克尔缺陷：原⼦（或离⼦）在格点平衡位置附近振动，由于⾮线性的影响，使得当粒⼦能量⼤到某⼀程度时，原⼦就会脱离格点，⽽到达邻近的原⼦空隙中，当它失去多余动能后，就会被束缚在那⾥，这样产⽣⼀个暂时的空位和⼀个暂时的填隙原⼦，当⼜经过⼀段时间后，填隙原⼦会与空位相遇，并同空位复合；也有可能跳到较远的间隙中去。
若晶体中的空位与填隙原⼦的数⽬相等，这样的热缺陷称为弗仑克尔缺陷。
肖特基缺陷：空位和填隙原⼦可以成对地产⽣(弗仑克尔缺陷），也可以在晶体内单独产⽣。
简述晶体中存在的各种缺陷类型
简述晶体中存在的各种缺陷类型晶体是一种有序排列的物质结构，而在实际中，晶体中可能存在着各种缺陷类型。
这些缺陷的存在不仅影响晶体的物理性质，也影响晶体的化学性质，因此对于研究晶体的性质和应用具有重要意义。
1. 点缺陷点缺陷是晶体中最简单和最常见的缺陷类型之一。
点缺陷可以分为两种类型：间隙缺陷和替位缺陷。
间隙缺陷指的是原子离开了正常的晶体原子位置，占据了空隙位置，影响了晶体的密度。
替位缺陷指的是原子与其他原子互换位置，会影响晶体的结构和物理性质。
点缺陷还可以分为内在点缺陷和外部点缺陷。
内在点缺陷是晶体原子本身带有的缺陷，而外部点缺陷是晶体中杂质原子或其他外部物质所引起的缺陷。
2. 线缺陷线缺陷是晶体中由于原子排列错误而形成的缺陷。
线缺陷分为两种类型：位错和排异线。
位错指的是晶体中出现的一个缺陷线，是原子排列出现偏差的缺陷。
排异线是在晶体生长时出现的缺陷，导致晶体结构不完全相同。
线缺陷也会影响晶体的化学和物理性质。
3. 面缺陷面缺陷是晶体中由于结构分界面不完全清晰而形成的缺陷。
面缺陷又分为两种类型：层错和晶界。
层错指的是晶体中同种晶面错位的一种缺陷，会影响材料的机械性能和热学性质。
晶界指的是晶体中不同晶面的交界面，会影响晶体的导电性和光学性质。
4. 体缺陷体缺陷是晶体中的一种比较罕见的缺陷类型，与晶体结构中的某些原子缺失有关。
体缺陷可能会导致一些物理性质的变化，例如材料的导电性和热学性质。
总之，晶体中存在多种缺陷类型，这些缺陷对晶体性质和应用都会有重要影响。
因此，为了更好地理解晶体性质，必须对各种缺陷类型进行深入研究。
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷的基本类型和特征
晶体缺陷是晶体中原子或离子位置的错误或不规则排列。
基本类型和特征包括以下几种：
1. 点缺陷：点缺陷是晶体中原子或离子缺失、替代或插入所引起的缺陷。
常见的点缺陷包括：空位缺陷（晶体中存在未被占据的空位）、插入缺陷（晶格中多余的原子或离子）、置换缺陷（晶体中某种原子或离子被其他种类的原子或离子替代）。
2. 线缺陷：线缺陷是沿晶体中某一方向的错误排列或不规则缺陷。
常见的线缺陷包括：位错（晶体中原子排列错误引起的错位线）、螺旋位错（沿着晶格某个方向成螺旋形排列的错位线）。
3. 面缺陷：面缺陷是晶体中平面上原子排列错误或不规则的缺陷。
常见的面缺陷包括：晶界（不同晶体颗粒的交界面）、层错（晶体中平行于某一层的错位面）。
4. 体缺陷：体缺陷是三维空间中晶体结构的错误或不规则排列。
常见的体缺陷包括：空间格点缺陷（晶体晶格中存在未被占据的空间）、体间隙（晶体中原子或离子占据不规则的空间位置）。
每种缺陷类型都有其特定的物理和化学性质，对晶体的电学、光学、磁学等性质都有影响。
因此，研究晶体缺陷对于理解晶体的结构和性质至关重要。
晶体缺陷类型
晶体缺陷类型一、点缺陷晶体中的点缺陷是指晶体结构中原子位置的缺失或替代。
常见的点缺陷有空位、间隙原子和杂质原子。
1. 空位空位是指晶体中某个晶格位置上原子缺失的现象。
晶体中的空位通常会导致晶体的物理性质发生变化，如导电性的改变。
空位的产生可以是由于晶体的生长过程中原子的缺失，也可以是由于晶体受到外界因素的影响而产生的。
2. 间隙原子间隙原子是指晶体结构中存在于晶格空隙中的原子。
间隙原子常见的有插入型间隙原子和取代型间隙原子。
插入型间隙原子是指一种原子插入了晶体结构的空隙中，而取代型间隙原子是指一种原子取代了晶体结构中原本占据该位置的其他原子。
3. 杂质原子杂质原子是指晶体结构中掺入的其他元素原子。
当晶体中的杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相近时，杂质原子可能会占据晶格空隙，形成间隙型杂质。
而当杂质原子的尺寸与晶体原子的尺寸相差较大时，杂质原子可能会取代晶体结构中的原子，形成取代型杂质。
二、线缺陷晶体中的线缺陷是指晶体中某一维方向上存在的缺陷。
常见的线缺陷有位错和脆性裂纹。
1. 位错位错是指晶体中晶格的错位。
位错的存在会导致晶体的形变和力学性质的改变。
位错可以分为位错线、位错环和位错面，具体形态取决于晶体中晶格错位的类型和方向。
2. 脆性裂纹脆性裂纹是指晶体中的裂纹缺陷。
脆性裂纹通常是由于外界应力作用于晶体中产生的。
脆性裂纹的存在会导致晶体的强度降低和断裂现象的发生。
三、面缺陷晶体中的面缺陷是指晶体中某一面或界面的缺陷。
常见的面缺陷有晶界、孪晶和堆垛层错。
1. 晶界晶界是指晶体中不同晶粒之间的界面。
晶界的存在会导致晶体结构的变化以及晶粒的生长和晶体的形变。
2. 孪晶孪晶是指晶体中存在两个或多个晶格取向相近但并不完全相同的晶粒。
孪晶的存在会导致晶体的形变和物理性质的改变。
3. 堆垛层错堆垛层错是指晶体中原子堆垛顺序的错误。
堆垛层错的存在会导致晶体的物理性质发生变化，如磁性和导电性的改变。
总结：晶体中的缺陷类型包括点缺陷、线缺陷和面缺陷。
晶体中的缺陷
空位的移动
原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计 分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁 移至别处，形成空位。
点缺陷的平衡浓度
热力学分析表明：在高于 0K 的任何温度下，晶体最稳定 的状态是含有一定浓度点缺陷的状态。在某一温度下，晶体 自由焓最低时对应的点缺陷浓度为点缺陷的平衡浓度，用 CV 表示。 在一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原 子，其数量可近似算出。 设自由能 F=U－TS U为内能，S为系统熵（包括振动熵Sf和排列熵SC） 空位的引入，一方面由于弹性畸变使晶体内能增加；另 一方面又使晶体中混乱度增加，使熵增加。而熵的变化包括 两部分： ① 空位改变它周围原子的振动引起振动熵Sf； ② 空位在晶体点阵中的排列可有许多不同的几何组态，使 排列熵SC增加。
X原子位于晶格间隙位置。 3. 错位原子 错位原子用MX、XM等表示，MX的含义是M原子占据X原子的位
置。XM表示X原子占据M原子的位置。
4. 自由电子（electron）与电子空穴 (hole） 分别用e，和h · 来表示。其中右上标中的一撇“，”代表一个单位负电荷，
一个圆点“ ·”代表一个单位正电荷。
点缺陷基本理论小结
1、点缺陷是热力学稳定的缺陷。 2、不同金属点缺陷形成能不同。 3、点缺陷浓度与点缺陷形成能、温度密切相关
n C exp( SV / k ) exp( EV / kT ) A exp( EV / kT ) N
4、点缺陷对金属的物理及力学性能有明显影响 5、点缺陷对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、 烧结有重要影响
T CV
100K 300K 500K 10-57 10-19 10-11
700K 900K 1000K 10-8.1 10-6.3 10-5.7
第一节_晶体中的点缺陷
分类：
空位：晶体内部的原子离开其平衡位置后, 留下的原子尺度的空洞。 间隙原子：进入晶体点阵间隙的原子。 自间隙原子：由同类原子形成的间隙原子。 异类间隙原子：由外来杂质原子形成的间 隙原子。 置换原子：占据原来基体原子平衡位置的 异类原子。 置换原子与基体原子半径总有差异，也是 一类点缺陷。
肖脱基缺陷：离位原子迁移到晶体的外 表面或内界面，而形成的空位。
n C exp(SV / k ) exp(EV / kT) Aexp(EV / kT) N
4、空位对金属的物理及力学性能有明显影响 5、空位对材料的高温蠕变、沉淀、回复、表面氧化、 烧结有重要影响
面心立方晶胞
晶格常数：a=b=c； ===90 晶胞原子数：
c
Z
1 1 8 6 4 8 2
Ae
(
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(2d)2=a2+a2 2a2=4d2 a=√2d 晶胞体积a3，晶胞内的原子数4 体积L3中的空位数=1/8×8=1，单位体积内的空位数为 1/L3=nv， L3=1/nv
四、过饱和空位
过饱和空位：晶体中数量超过了其平 衡浓度的空位。 过饱和空位将对晶体的性能产生影响。 产生过饱和空位的方法： 高温淬火 冷加工 辐照
金属 Au Ag Cu Al Pt W △Em(ev)0.87 0.81 0.94 0.62 0.75 1.87
空位的迁移频率：j=νZexp(Sm/k)exp(-Em/kT) ν－原子振动频率，Z－空位周围原子配位数， Sm－空位 迁移熵，△Em－空位迁移能。
同理，由于热振动，晶体中的间隙原子也可以由一 个间隙位置迁移到另一个间隙位置。
肖脱基缺陷
弗兰克缺陷：离位原子跳入晶体点阵间隙 中，形成一个空位的同时，还形成了一个间隙 原子。
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§4-2 热缺陷的数目统计1、肖脱基缺陷数目统计热缺陷数目与晶体的原子数目相比是一个很小的数，但其绝对数目也是很大的。
对于讨论数目巨大的热力学系统，热力学统计方法是一个简单明了的方法。
热力学系统的自由能为：F =U -T S ……………………………………………………………………………………………（4-2-1） 其中U 为晶体的内能，S 代表熵，S=k B lnW ，这里W 是微观状态数。
热力学系统中任一因素的变化，都将引起自由能的变化。
但是，不论变化如何，当系统达到平衡时，其自由能为最小。
因此，可由平衡时系统的自由能取最小值的方法来可求出热缺陷的数目，即：0TF n ∂⎛⎫= ⎪∂⎝⎭……………………………………………………………………………………（4-2-2） 对于肖脱基缺陷的数目统计，我们以由一种原子组成的晶体为例来分析。
设晶体有N 个原子，平衡时晶体中存在n 个空位，令w 是将晶格内部一个格点上的原子跳到晶体表面上去所需要的能量，即形成一个空位所需的能量，则晶体中含n 个空位时，内能将增加U nw ∆=…………………………………………………………………………………………（4-2-3） 晶格中N 个原子形成n 个空位的方式数，即此时的微观状态数为W ：()!!!nN N W C N n n ==-…………………………………………………………………………（4-2-4）所以，由热力学理论可知，熵增加：!ln()!!B N S k N n n ∆=-………………………………………………………………………（4-2-5）结合（4-2-1）（4-2-3）和（4-2-5）得到，存在n 个空位时，自由能函数将改变：()!ln!!B N n F U T S nw k T N n +∆=∆-∆=-…………………………………………………（4-2-6）应用平衡条件（4-2-2），考虑到只有ΔF 与n 有关，以及斯特令公式： ln !ln N N N N ≈- 则可得到，![ln ]ln 0()!!B B F N N n w k T w k T n n N n n n ∂∆∂-⎛⎫=-=-= ⎪∂∂-⎝⎭……………………………（4-2-7）由于实际上一般只有少数格点为空位，n<<N ，所以由式（4-2-7）得到平衡时空位的数目为：B w k Tn Ne-=……………………………………………………………………………………（4-2-8）此外，对于平衡时间隙原子的数目，也可以得到完全相似的理论公式，只是其中w 和N 的意义变了，是代表形成一个间隙原子的能量，N 代表晶格中间隙原子的数目。
2、夫仑克尔缺陷统计设晶体由N 个原子所构成，晶体有N ′个间隙位置，夫仑克尔缺陷对的数目为n ，每形成一对间隙原子和空位所需要的能量为u 。
则由热力学理论知：S=k B lnW= k B lnW 1W 2，从N 个原子中取出n 个原子形成n 个空位的可能方式数为：1!()!!N W N n n =-……………………………（4-2-9）这n 个原子排列在N ′个间隙位置上形成间隙原子的方式数为：2!()!!N W N n n '='-……………………………（4-2-10）所以有了夫仑克尔缺陷后，晶格的微观状态数为：122!!()!()!(!)N N W WW N n N n n '=='--……………………………（4-2-11）则熵的改变量为：2!!ln ln()!()!(!)B B N N S k W k N n N n n '∆=='--……………………………（4-2-12） 由式（4-2-12）、（4-2-1）和（4-2-2）可得到：[ln()ln()2ln ]0B u k T N n N n n '--+--=…………………………（4-2-13）应用斯特令公式，考虑N>>n 及N ′>>n 计算上式可得：2B uk Tn -=§4-3 晶体中的扩散机制扩散是自然界中普遍存在的现象，它的本质是粒子作无规则的布朗运动，通过扩散能实现质量的输运。
晶体中原子的扩散现象同气体中的扩散相似，不同之处是粒子在晶体中运动要受晶格周期性的限制，要克服势垒的阻挡，在运动中会与其他缺陷复合。
这里先讨论扩散的共性问题。
一、扩散方程设扩散粒子的浓度为C ，稳定态时，扩散粒子流密度为：D C =-∇j ……………………………………………………………………………………（4-3-1）其中D 称为扩散系数，加负号的目的是为了保证扩散系数为正值，因为粒子流的方向与粒子浓度的梯度方向相反。
由上式可得到扩散的连续性方程：()CD C t∂=-∇∇∇∂j =………………………………………………………………………（4-3-2） 一般D 是粒子浓度的函数，我们只讨论D 是常数的扩散现象。
对于简单的一维扩散，上式化成：22C CD t x∂∂=∂∂…………………………………………………………………………………（4-3-3） 因此，在一定的边界条件下可以求解出扩散原子浓度的分布C(x,t)。
扩散系数D 与温度有关，其一般形式0B k T D D e ε=…………………………………………………………………………………（4-3-4）式中D 0为常数，与所在晶体及扩散原子的性质有关，ε称为扩散激活能。
式（4-3-1）和（4-3-2）通常称为菲克第一定律和第二定律。
它对由于浓度梯度决定的扩散给出的扩散给出宏观描述，这类扩散又称为正常扩散。
但在众多的扩散现象中并不都是由浓度梯度决定的，在某些情况下化学势梯度是决定扩散的主要因素。
二、扩散的微观机制从微观上来看，粒子的扩散是粒子作布朗运动的结果，根据统计物理我们已知，粒子的平均位移平方与扩散系数D 的关系为：22x Dt =……………………（4-3-5）其中2x 是在若干相等的时间间隔t 内，粒子的位移平方的平均值。
在晶体中，粒子的位移受晶格周期性的限制，其平方的平均值也与晶格周期性有关。
另外，晶中粒子的扩散有三种方式：粒子以间隙原子的形式进行扩散；粒子借助于空位进行扩散；这两种方式都同时发生。
这里只讨论前两种简单情况。
（1）空位机制在一定温度下晶体中总有空位存在，在空位周围的原子有可能占据这个空位，原来的位置又变成空位，通过空位的移动可以实现原子的迁移，如图4-3-1(a )所示。
附图及动画（2）间隙原子机制原子可以形成间隙原子并在不同间隙位置之间跳跃来实现扩散，如图4-？（b ）所示。
附动画图4-3-1 空位机制和间隙机制示意图（a ）空位机制（b ）间隙原子机制一般情况下，空位机制比较容易实现，在许多材料中可能是主要的扩散机制。
如果是杂质原子在晶体中的扩散，则当杂质原子的半径比晶体原子的半径小得多时，它们将主要以间隙原子的机制在晶体中扩散。
此外，人们曾对一些金属的自扩散系数进行具体实验测定，结果发现，实验值比理论值大几个数量级。
这也是可以理解的，因为以上模型过于理想化，实际晶体中的缺陷，不止是点缺陷，还有线缺陷和面缺陷等。
对于金属多晶体，存在大量的晶粒间界，晶粒间界是一个复杂的面缺陷，它的存在对粒子的扩散是不利的。
三、杂质原子的扩散研究杂质原子的扩散更有实际意义，因为人们常用掺杂杂质原子的手段来达到实现材料改性的目的。
扩散原子可以是同类原子（自扩散），也可以是异类原子（杂质原子），两者的扩散微观机制相同但扩散系数的大小却不同。
这是由于杂质原子的尺寸大小以及周围原子的相互作用与基质原子不同所致。
如果杂质原子以替代方式存在，则其扩散方式与自扩散相似，可以通过空位或其他机制来实现。
但若杂质原子是以间隙原子的方式存在，那它本身就是间隙原子，通过间隙机制扩散时其扩散系数仍为(4-3-4)式的形式，只是激活能无需包括形成间隙原子所需的能量，所以杂质原子以间隙原子机制扩散时要比自扩散更容易一些。
§4-4 晶体的离子导电性在理想的离子晶体中，没有自由电子，离子又难以在晶体内移动，所以是典型的绝缘体。
但实际离子晶体中，由于缺陷的杂质的存在，离子可以低助于缺陷在外电场作用下，发生定向漂移，使晶体具有一定的导电性，离子成为载流子，这种现象称为离子导电性。
一、离子电导率离子晶体中的点缺陷是带电的，在没有外电场作用下，缺陷作无规运动，不形成电流。
但当有外电场作用时，缺陷沿电场正、反方向的移动的几率不等，从而产生电流。
为了导出电导率与温度的关系，我们考虑一种简单情况：一个间隙正离子在沿x 正方向的电场E 的作用下的运动。
沿x 方向间隙离子的势能是晶体内势能与在外电场中的势能之和，如图4-4-1所示。
现在左右两边势垒高度是不同的。
所以，离子沿电场正、负方向移动的几率不同，分别为： 1()20B Eqd k Teεγγ-±=………………………………（4-4-1）式中0γ为间隙离子的振动频率，ε为晶体内部离散的势垒，q 为离子的电荷，d 为相邻离子的距离。
于是沿电场方向的漂移速度为：220()[]B B B EqdEqd k Tk Tk Td v d deeeεγγγ--+-=⋅-=-…（4-4-2）在一般情况下，外电场不是非常强，总有qEd <<k B T ，211;22B Eqdk T B B Eqd Eqde k T k T<<≈+即，则有 则漂移速度可化简为：ε12Eed ε+12Eedε-εdE=0E ≠0图4-4-1 在外电场作用下间隙离子的势能200()B B k Tk T d B B Eqd q v ded e E E k T k Tεεγγμ--=⋅=⋅=………………………………（4-4-3） 这里有20()B k T B B q qDd e k T k Tεμγ-==， 称为爱因斯坦关系。
由电流密度可直接求出离子电导率： 即根据：200B k T d o o B qj n qv n q E n q d e E E k Tεμγσ-==⋅=⋅=………………………………（4-4-4）可得：220B k T o B n q j d e E k Tεσγ-==………………………………（4-4-5）其中0n 为间隙正离子的浓度。
上面的结果是针对一种缺陷类型导出的，其他类型的缺陷也可用同样的方法导出其关系。
二、本征导电性和杂质导电性对于不含杂质的离子晶体，其离子导电性是由晶体中固有的热缺陷决定的，称为本征导电性。
当晶体含有杂质时，还需考虑杂质对导电性的影响。
如果杂质离子与基质离子的电荷相同，则杂质对导电性的影响很小，但当两者所带电荷不同时，就会产生显著的影响。